多芯光纤折射率与内应力分布重构技术.docx
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2022-12-15
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0. 引 言
随着信息时代的快速发展，普通单模光纤已逐渐无法满足光传输系统容量的需求。近
年来，以多芯光纤、少模光纤等为主导的新型空分复用光纤以其独特的纤芯排列方式和模
场特性，成为解决光传输网容量受限以及非线性效应等问题的良好光学元件
[1-2]
。光纤本身
有如下几个重要的光学参数：折射率分布、几何结构和内应力分布等。这些参数的特征基
本决定了光纤的光学性能。因此，在光纤使用前，对这些参数的测量就显得尤为重要。然
而，空分复用光纤及其他特种光纤由于光纤内部结构特性与普通单模光纤不同，这就对光
纤参数的测量系统提出了更高的要求。
对于光纤折射率分布的测量，主要分为轴向和横向测量。轴向测量需将光纤进行切
割，该类技术开始于 1975 年 Ikeda 提出的端面反射法
[3]
。然而，反射法需要仪器具有很高
的灵敏度来探测光纤端面微弱的反射光，否则难以得到准确的折射率测量结果。1981 年，
Young 提出了近场折射法，基于这种技术， Fontaine 发明了一种折射率剖面的测量仪
[4]
。
不过，测量时需要对光纤样本进行精确的校准才能保证准确性。后来，Zhong 提出了使用
化学腐蚀结合原子力显微镜测量光纤折射率的方法。这是一种非光学的测量方法
[5]
，测量
精度可以达到纳米量级，但难点在于必须从光纤的腐蚀深度和速度来得到折射率分布。
另外一种横向测量技术，属于无损测量且拥有更高的分辨率，是目前折射率测量的主
要方法。该类技术最早开始于 1979 年，Boggs 和 Presby 提出使用横向干涉仪测量光纤剖面
[6]
。随后，Bachim 又引入了断层扫描原理
[7]
，但需要在横向分辨率和测量准确性之间求折
中，分辨率较低。为了提升分辨率，Yablon 提出了一种色散 Fourier 变换光谱学技术来测
量光纤的横截面折射率，属于干涉型测量方法
[8]
，然而实际使用时需要通过移动光楔得到
很多的干涉图样，测量过程复杂。
1998 年，Barty 提出了一种非干涉技术来测量光束横向穿过光纤后形成的相移，即
QPM 法。该方法利用强度传输方程来得到相移分布，具有很高的空间分辨率和准确性。
2000 年，Barty 采用 QPM 技术结合计算机断层扫描技术
[9]
，得到了双芯光纤的三维几何结
构与二维折射率分布图，尤其对于芯间距的还原精度很高。不过，当时对于多层芯光纤的
参数测量过程相对复杂，还需进一步优化。
而光纤应力分布的测量原理主要基于光弹性效应。光纤中残余应力会导致双折射产
生，根据光弹效应，当光束横向穿过光纤时会产生一定的光延迟。通过测量光延迟的分
布，就可以计算出光纤中残余应力的分布特性。
光延迟的测量方法研究最早开始于 1982 年，Chu 和 Whitbread 首次提出了使用相位补
偿法测量光延迟。随后，Colomb 提出了使用偏振数字全息显微法对光延迟测量进行改进，
需要得到两束参考光束和一横向穿过光纤的光束发生干涉后的强度分布图
[10]
。不过，该实
验中需要用到许多个分光棱镜、玻片和起偏器来控制三束光的偏振态，操作相对复杂，测
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